Stochastic analysis of bistability in coherent mixed feedback loops combining transcriptional and post-transcriptional regulations
结合转录和转录后调节的混合反馈环在细胞调控网络中是常见的。它们由两个基因组成，编码一个转录因子和一个小的非编码RNA（sRNA），它们相互调节彼此的表达。我们提出了一个理论和数值研究这种类型的相干混合反馈回路，在这两个法规是负面的。在合适的条件下，这些反馈环预计将表现出双稳态，即两个稳定状态，一个由转录阻遏物主导，另一个由sRNA主导。我们使用基于速率方程模型的确定性方法，以确定发生双稳态的参数范围。然而，确定性模型没有考虑到量子态的有限寿命以及它们之间自发的、涨落驱动的跃迁。因此，我们使用随机方法来计算这两个状态的平均寿命。据发现，这些寿命强烈依赖于速率系数，如转录抑制因子和sRNA的转录速率。特别是，我们表明，该系统在sRNA占主导地位的状态下花费的时间的分数如下的单调递减的sigmoid函数的转录抑制因子的转录率。这些结果的生物相关性进行了讨论的背景下，这种混合的反馈回路在{ \it大肠杆菌}。
2014-12-02 physics.bio-ph q-bio.MN
MicroRNAs preferentially target the genes with high transcriptional regulation complexity
近年来，microRNA（miRNAs）已成为一类重要的基因调控因子，在转录后水平负调控动物基因组中约1/3的基因表达。然而，目前还不清楚为什么有些基因受到miRNA的调控，而另一些则不受，即动物基因组中miRNA调控的原理是什么。本研究系统地分析了转录因子与miRNA在基因调控中的关系。我们发现具有更多TF-结合位点的基因具有更高的被miRNA靶向的概率，并且平均具有更多的miRNA-结合位点。这一观察结果表明，具有较高顺式调控复杂性的基因在转录水平上更协调地受到TF的调控，而在转录后水平上受到miRNA的调控。这是对基因表达协调调控机制的一个潜在的新发现。基因本体分析进一步证明这种协调调控在发育基因中更为普遍。
2006-12-30 q-bio.GN q-bio.MN
Robustness of Transcriptional Regulation in Yeast-like Model Boolean Networks
我们研究了在同步和确定性更新的布尔网络模型的框架内，在酵母酿酒酵母基因表达的转录调控的动力学特性。通过一个动态的决定子网络，我们探讨的稳健性的转录调控作为布尔函数的类型的函数中使用的模型，模仿调控剂对基因的转录水平的影响。我们将实际酵母网络的结果与两个不同的模型网络的结果进行比较，一个模型网络的入度分布与酵母相似，其他情况下是随机的，另一个是由于Balcan等人，其中酵母网络的全局拓扑被忠实地再现。令人惊讶的是，我们发现第一组模型网络更好地再现了实际酵母网络的结果，尽管Balcan等人的模型网络在结构上与酵母更相似。
2009-03-06 q-bio.MN
On The Reconstruction of Interaction Networks with Applications to Transcriptional Regulation
介绍了一种新的重建相互作用网络的信息论方法。我们证明了该方法对某些网络是精确的。对大型合成转录调控网络的性能测试产生了非常令人鼓舞的结果。
2005-09-18 q-bio.GN q-bio.MN q-bio.QM
Diverse spatial expression patterns emerge from common transcription bursting kinetics
在早期发育中，转录调控导致精确定位和高度可重复的表达模式，指定细胞身份。转录是一个基本的嘈杂的分子过程，如何调节以实现可靠的胚胎模式仍然不清楚。特别是，目前还不知道基因特异性调控机制如何影响转录的动力学速率，以及是否有共同的，全球性的特征，在整个遗传网络管理这些速率。在这里，我们测量新生的转录活性的差距基因网络的早期果蝇胚胎和表征的变化，在整个表达边界的绝对活性水平。我们表明，边界形成遵循一个共同的转录原则：一个单一的控制参数决定了转录活性的分布，无论基因的身份，边界位置，或增强子启动子架构。通过采用一个最低限度的转录模型，我们推断这些模式化基因的转录爆发的动力学速率，我们发现，关键的调控参数是一个基因处于活跃转录状态的时间分数，而Pol II加载的速率似乎是全局保守的。这些结果指出，一个普遍的简单性的基础上，显然复杂的转录过程负责早期胚胎的模式，并指出一条道路，在转录调控的一般规则。
2017-12-21 q-bio.MN q-bio.SC
Stochastic proofreading mechanism alleviates crosstalk in transcriptional regulation
基因表达主要由转录因子蛋白（TF）和调控DNA序列之间的相互作用控制，这一过程可以通过调控的热力学模型很好地捕获。然而，这些模型忽略了调控串扰：非同源转录因子可以启动转录的可能性，对细胞具有潜在的灾难性影响。在这里，我们估计串扰的重要性，建议其避免强烈约束TF结合的平衡模型，并提出了一种替代的非平衡方案，实现动力学校对，以抑制错误的启动。该提议与观察到的转录装置的共价修饰一致，并且将预测基因表达中的噪声增加作为改善特异性的折衷。使用信息理论，我们量化这种权衡，找到最佳校对架构时，他们的平衡同行的青睐。
2015-04-22 q-bio.MN
Statistical analysis of the spatial distribution of operons in the transcriptional regulation network of Escherichia coli
我们对大肠杆菌转录调控网络中操纵子的空间分布进行了统计分析。分析表明，相互调节的操纵子和共同调节的操纵子往往在基因组上彼此相邻。此外，这些操纵子对倾向于在不同的方向上转录。操纵子的这种空间排列允许上游调控区相互干扰。这提供了额外的调节控制，如前馈回路的平均场分析所示。我们的研究结果表明，调节控制可以提供一个选择压力，驱动操纵子在进化过程中一起。
2003-10-23 q-bio.GN q-bio.MN
Fundamentally different strategies for transcriptional regulation are revealed by information-theoretical analysis of binding motifs
为了调节特定的基因，转录因子（TF）需要结合特定的基因组位置。在约10^6-10^9个诱饵位点的存在下，这个基因组地址是如何指定的？我们对319个已知TF结合基序的分析清楚地表明，原核生物和真核生物使用截然不同的策略将TF靶向特定的基因组位置;真核生物TF表现出广泛的非功能性结合，并需要在调控区域中聚集位点以实现特异性。
2009-01-21 q-bio.BM q-bio.GN q-bio.MN
Origins of Binary Gene Expression in Post-transcriptional Regulation by MicroRNAs
微RNA介导的基因表达调节的特征在于一些区别于非调节和转录因子调节的基因表达的独特特征。最近，一个数学模型已被提出来描述microRNA的转录后调控的动力学。该模型很好地解释了单细胞实验中的观察结果。在本文中，我们引入了一些额外的功能到模型中，并考虑两个特定的情况。在第一种情况下，靶基因表达的转录调节中包括非合作性正反馈环。在第二种情况下，被认为是一个随机版本的原始模型，其中有基因的非活性和活性表达状态之间的随机转换。在第一种情况下，我们表明，双稳态是可能的参数制度，由于存在一个非线性的蛋白质衰减项的基因表达动态。在第二种情况下，我们推导出获得随机二进制基因表达的条件。我们发现，与未受调节的基因表达的情况相比，这种类型的基因表达在由microRNA调节的情况下更有利。与二元基因表达相关的理论预测是可实验检验的。
2012-10-18 q-bio.MN q-bio.QM
Invariant non-equilibrium dynamics of transcriptional regulation optimize information flow
本研究通过构建至少四状态且打破细致平衡的非平衡动力学模型，解释了转录调控中启动子切换相关时间的不变性，并证明其能最大化转录因子到基因表达的信息传输。
2025-07-16 physics.bio-ph q-bio.MN
The large-scale logico-chemical structure of a transcriptional regulation network
身份，对外部刺激的反应，以及生命系统的空间结构是分子生物学的中心议题。目前，它们在很大程度上被视为基因库和细胞调节机制之间相互作用的结果。在转录水平上，顺式调控区在转录因子和基因（包括其他转录因子）之间建立了一系列相互依赖性。这些“转录网络”太大，无法用详细的动力学模型进行全局处理。在本文中，我们描述了一种方法来解决这个问题，只专注于基因表达模式和信号整合功能之间的兼容性，讨论进行最简单的计算，布尔，实现的模型，并首次应用到实验数据集。
2005-02-15 cond-mat.dis-nn q-bio.MN
Transcriptional Regulation by the Numbers 2: Applications
随着关于基因表达和调控的实验数据量的增加，越来越需要定量模型来描述数据并将它们与不同的背景相关联。热力学模型综述在前面的文件提供了一个有用的框架，定量分析细菌的转录调控。我们回顾了一些良好的特点是由一个或两个物种的转录因子调控的细菌启动子，并适用于这些启动子的热力学框架。我们表明，该框架允许人们使用一些参数量化截然不同的基因表达形式。因此，它提供了一个紧凑的描述，可用于更高层次的研究，例如，基因网络的，而不需要调用每个组件的生化细节。此外，它可以用来产生可能的转录控制机制的假设。
2004-12-05 q-bio.MN q-bio.QM
The role of input noise in transcriptional regulation
即使在恒定的外部条件下，基因的表达水平也会波动。许多重点放在这个噪音的组件，是由于在转录和翻译的随机性，在这里，我们分析了噪音的作用与输入转录调控，随机到达和绑定的转录因子，其目标位点沿基因组。这种噪音设置了一个基本的物理限制的遗传控制的可靠性，并有明确的签名，但我们表明，这些很容易被实验的限制，甚至通过传统的方法绘制的方差与平均表达水平。我们认为，简单的，由转录和翻译占主导地位的噪音的全球模型是不一致的嵌入基因表达的网络中的监管相互作用。最近的实验在早期果蝇胚胎的转录控制分析表明，这些结果是定量一致的预测签名的输入噪声，我们讨论了需要测试的实验输入噪声的重要性更普遍。
2007-01-22 q-bio.CB q-bio.MN
Towards Multicellular Biological Deep Neural Nets Based on Transcriptional Regulation
建立在合成基因网络上的人工神经元具有从复杂的细胞决策到生物反应器调节的潜在应用。此外，由于自然系统的高信息吞吐量，它提供了一个有趣的候选人基于生物的超级计算和模拟模拟传统上棘手的问题。在本文中，我们提出了一个架构，用于构建多细胞神经网络和可编程非线性系统。我们设计了一个基于基因调节网络的人工神经元，并优化了其模块化动态。使用基因表达模型，我们模拟其从多个输入执行任意线性分类的能力。最后，我们构建了一个两层的神经网络来展示可扩展性和非线性决策边界，并讨论了未来的方向，利用不受控制的神经元在计算任务。
2020-01-30 cs.ET cs.NE q-bio.MN
DNA looping in gene regulation: from the assembly of macromolecular complexes to the control of transcriptional noise
由结合在远端DNA位点的蛋白质和蛋白质复合物形成的DNA环在许多细胞过程中起中心作用，例如转录、重组和复制。在这里，我们回顾了基本的热力学概念的大分子复合物的组装成环的DNA和这个过程中的基因调控的性能的影响。除了传统观点认为DNA成环是一种增加调控分子对其同源位点亲和力的机制之外，最近的发展表明DNA成环还可以导致细胞间变异性的抑制、转录噪音的控制以及按需激活合作相互作用。
2005-02-28 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
A stochastic spectral analysis of transcriptional regulatory cascades
在过去的十年里，我们对噪音在基因调控中的作用以及生物网络中信号传导的物理限制的理解取得了巨大的进步。在这里，我们介绍的谱方法计算的联合概率分布在所有物种的生物网络。谱方法利用生灭过程主方程的自然本征函数来求解网络中模块的联合分布，然后相互通知并便于计算整个联合分布。我们说明了在自然界中普遍存在的情况下的方法：线性调节级联。该方法的效率使得输入和调节参数的数值优化成为可能，揭示了例如，信息量最大的瀑布我们发现，对于阈值监管，一系列强有力的监管将单峰输入转换为双峰输出，多模态输入并不比双峰输入更具信息性，并且一系列向上监管优于一系列向下监管。我们预计，这种数值方法可能是有用的建模噪声在生物学中的各种小的网络拓扑结构。
2008-11-25 q-bio.MN
Comment on "Direct Targeting and Regulation of RNA Polymerase II by Cell Signaling Kinases"
该研究声称约117种人类激酶直接调控RNA聚合酶II的CTD，但其结论缺乏充分证据支持，与传统转录生物学存在矛盾。
2025-11-28 q-bio.CB q-bio.MN q-bio.SC
Transcriptional Regulation by the Numbers 1: Models
对基因调控和表达的研究经常用定量的术语来讨论。特别是，基因的表达是有规律的特点，关于多少，多快，何时何地。无论是讨论细菌中基因表达的水平，还是它在发育中的胚胎中的精确位置，这些实验的自然语言都是数字。这种定量数据需要定量模型。我们回顾了一类模型（“热力学模型”），利用统计力学计算的概率，RNA聚合酶是在适当的启动子。这提供了一个数学上精确的阐述的想法，激活剂是招募剂，增加的概率，RNA聚合酶将被发现在目标启动子。我们讨论了一个框架，它描述了阻遏物，激活剂，辅助分子和RNA聚合酶的相互作用，使用的概念，有效浓度，表达的功能，我们称之为“调节因子”。该分析最终表达了RNA聚合酶在感兴趣的启动子处结合的概率作为细胞中调节蛋白的数量的函数。在一个配套文件[1]中，这些想法被应用到几个案例研究中，这些案例研究说明了一般形式主义的使用。
2004-12-05 q-bio.MN q-bio.QM
Efficient Degradation and Expression Prioritization with Small RNAs
我们建立了一个简单的反馈系统模型，涉及小RNA（sRNA）分子的基础上的铁代谢系统在细菌E。coli中，并与H. pylori，它使用纯粹的转录调控。这揭示了基于sRNA的调控的几个独特特征，这些特征可以被细胞利用。首先，我们表明，sRNA调控可以保持一个较小的营业额的目标mRNA比转录调控，而不牺牲响应速度的外部冲击。其次，我们提出，一个单一的sRNA可以优先使用不同的目标mRNA。这表明sRNA调节在需要有效地共同调节许多mRNA的更复杂的系统中更常见。
2008-10-13 q-bio.MN
Analysis of the hierarchical structure of the B. subtilis transcriptional regulatory network
基因表达的转录调控是由相互作用的基因组成的复杂网络所协调的。越来越多的证据表明，这些转录调控网络（TRN）在细菌中有一个固有的层次结构，虽然这种类型的组织提供的设计原则和具体的优势尚未完全阐明。在这项研究中，我们专注于TRN的革兰氏阳性细菌枯草芽孢杆菌的层次结构，并进行了比较分析与TRN的革兰氏阴性细菌大肠杆菌。使用图论方法，我们组织了B的TRN中的转录因子（TF）和sigma因子。subtilis和E.大肠杆菌分为三个层次（顶部，中间和底部），并研究了它们之间的几个结构和功能特性。除了许多相似之处，我们还发现了具体的差异，解释了其中大部分与两种生物体中σ因子在分层水平上分布的变化。然后，我们研究了目标代谢基因的转录调节因子的控制，以表征三个不同的代谢子系统（catalysts，analysts和中央能量代谢）的差异调节。这些结果表明，我们在B。枯草杆菌代表了其TRN的有效组织，以实现对不同刺激的响应的灵活性。
2014-05-15 q-bio.MN
A combination of transcriptional and microRNA regulation improves the stability of the relative concentrations of target genes
众所周知，在合适的条件下，microRNA能够将其靶标的相对浓度微调到任何期望的值。我们发现，当其中一个靶点是调节其他靶点的转录因子（TF）时，这种功能特别有效。这种组合定义了一类新的前馈环（FFL），其中microRNA起着主调节器的作用。使用确定性和随机方程，我们表明，这些FFL确实不仅能够微调TF/靶标比率到任何所需的值作为miRNA浓度的函数，而且由于电路的特殊拓扑结构，确保该比率对随机波动的稳定性。这两种效应是由于直接的转录调控和由于TF和靶标竞争结合miRNA而引起的间接TF/靶标相互作用之间的相互作用（所谓的“海绵效应”）。然后，我们在人类调控网络中对这些FFL进行全基因组搜索，并显示它们具有非常特殊的富集模式。特别是，它们在TF及其目标必须精确地保持在相同浓度的所有情况下都强烈富集，尽管有环境噪声。作为一个例子，我们讨论的FFL涉及E2 F1作为转录因子，RB 1作为目标和miR-17家族作为主调节器。这些FFL确保了E2 F/RB比率的严格控制，这反过来又确保了静止细胞中从G 0/G1到S期转变的稳定性。
2013-07-12 q-bio.GN q-bio.MN
The Energetics of Molecular Adaptation in Transcriptional Regulation
突变是进化探索蛋白质功能景观的关键机制。尽管我们有能力在实验上随意施加突变，但仍然很难将序列水平的扰动与系统水平的反应联系起来。在这里，我们提出了一个框架，集中在测量系统的自由能的变化，以连接个别突变的变构转录抑制因子的参数，管理其响应。我们发现突变的能量效应可以分为几类，它们具有作为诱导剂浓度的函数的特征曲线。我们实验测试这些诊断预测使用的特点是LacI阻遏大肠杆菌，探测几个突变的DNA结合和诱导剂结合域。我们发现，由于点突变的基因表达的变化可以通过修改描述野生型蛋白质的相应结构域的模型参数的子集来捕获。这些参数似乎是绝缘的，在DNA结合结构域中的突变只改变DNA亲和力，而在诱导剂结合结构域中的突变只改变变构参数。改变这些参数的子集以与理论预期一致的方式调整系统的自由能。最后，我们表明，诱导配置文件和由此产生的自由能与成对双突变体可以预测与定量的准确性给定的知识的单突变体，识别和定量上位相互作用提供了一种途径。
2019-05-15 q-bio.GN q-bio.MN q-bio.PE
Hill Function-based Model of Transcriptional Response: Impact of Nonspecific Binding and RNAP Interactions
该研究从 TF、RNAP 与 DNA 特异性及非特异性位点的反应出发推导转录倍数变化，阐明弱启动子下其与 Hill 函数的联系及参数生化含义。
2024-03-04 q-bio.MN
Information flow and optimization in transcriptional control
在最简单的转录调控观点中，基因的表达通过转录因子（TF）浓度的变化而开启或关闭。我们使用最近的数据噪音水平在基因表达表明，它应该是可能的传输远远不止一个监管位。实现这种最佳的信息容量将需要由细胞使用的TF浓度的动态范围、调节模块的输入/输出关系以及结合和转录的噪声水平满足一定的匹配关系。这个无参数的预测与最近在早期果蝇胚胎中Bicoid/Hunchback系统的实验非常一致，并且该系统实现了其理论最大信息传输的90%。
2007-05-02 q-bio.MN
Quantitative Characterization of Combinatorial Transcriptional Control of the Lactose Operon of E. coli
系统生物学的目标是用部分的知识来理解整体的行为。这在许多情况下很难实现，因为很难表征生物系统中涉及的许多成分及其复杂的相互作用网络。将E.大肠杆菌提供了一种可能性，面对转录调控的系统级特性与已知的生物化学的分子成分和它们的相互作用。这样的对抗可以揭示以前未知的成分和相互作用，并提供新的见解，了解这些成分如何作为一个整体协同工作。在这里，我们研究的组合控制的乳糖启动子的调节LacR和CRP。先前的体内研究[Setty等人，PNAS 100：7702-7（2003）]发现观察到的启动子活性与基于已知分子机制的预期行为之间存在明显的不一致。我们通过鉴定和去除几个显著调节lac启动子表达的外源因子重复了这项研究。通过定量的，系统的表征启动子活性的一些关键突变体和转录基因调控的热力学模型的指导下，我们能够占定量的组合控制的乳糖启动子，在CRP和LacR介导的DNA循环之间的合作相互作用。具体而言，我们的分析表明，诱导剂反应的灵敏度是由LacR介导的DNA环，这是显着增强CRP。
2007-03-26 q-bio.MN
Transcriptional regulation: Effects of promoter proximal pausing on speed, synchrony and reliability
最近的全基因组聚合酶结合试验表明，大部分未表达的基因具有稳定结合到其启动子的预组装RNA pol II转录起始复合物。一些这样的启动子近端暂停的基因在转录延伸而不是在起始时被调节;已经提出这种差异允许这些基因在细胞群体中更快地表达并实现更同步的表达，从而克服由低拷贝数因子引起的分子“噪音”。已经通过实验确定，在伸长时受到调节的基因倾向于表达得更快和更同步;然而，还没有直接表明是否是调节步骤{ \em本身}的变化导致了这种速度和同步性的增加。我们调查这个问题，提出并分析了一个连续时间马尔可夫链模型的聚合酶复合物组装调节在两个步骤之一：初始聚合酶与DNA的关联，或从暂停，转录状态释放。我们的分析表明，在很宽的物理参数范围内，增加的速度和同步性是伸长控制的功能性后果。此外，我们作出新的预测延长调节细胞之间的总转录本数量的一致控制的影响，并确定哪些元素在转录诱导途径是最敏感的分子噪音，因此可能是最进化的限制。我们的方法产生合理的计算工作量感兴趣的数量的符号表达式，并可用于探索更广泛的一类生化网络中的相互作用拓扑结构和分子噪声之间的相互作用。我们提供了实现这些方法的通用代码。
2011-03-11 math.PR q-bio.MN
Quantitative analysis of competition in post-transcriptional regulation reveals a novel signature in target expression variation
当小RNA加载到Argonaute蛋白上时，它们可以形成RNA诱导的沉默复合物（RISC），介导RNA干扰。RISC形成依赖于Argonaute蛋白和RISC加载因子的共享库，因此易受小RNA之间竞争加载的影响。我们提出了一个数学模型，旨在了解小RNA的PTR资源的竞争如何影响靶基因的阻遏。我们讨论了小RNA活性受到RISC形成、RISC降解和Argonaute可用性的限制。总之，这些观察结果解释了实验中遇到的PTR饱和效应。我们发现，RISC加载的不同竞争条件导致PTR活性的不同签名也由RISC再循环发生的量决定。特别是，我们发现小RNA在RISC形成方面效率较低，使用较少的PTR途径资源，可以在低RISC循环范围内与其更有效的对应物一样好地执行。此外，我们预测了一个新的签名的PTR的目标表达水平。在低RISC加载效率和高RISC再循环的条件下，靶水平的变化随靶转录速率线性增加。此外，我们表明RISC循环决定了Argonaute稀缺条件对靶表达变异的影响。我们的观察一起提供了一个框架的预测，可以用来从实验数据推断的特定特征的潜在PTR活动。
2013-01-16 q-bio.MN q-bio.QM
Noise Processing by MicroRNA-Mediated Circuits: the Incoherent Feed-Forward Loop, Revisited
在高等真核生物中，基因表达的内在随机性通常通过稳定输出层（最显著的是蛋白质水平）的转录后调节通道来减轻。在遗传调控网络的特定基序中发现了小的非编码RNA（miRNAs），这导致将噪声缓冲鉴定为它们在调控中发挥的可能的关键功能。最近的体外和计算机研究证实了这一假设。然而，还已知miRNA介导的噪音降低受到简单拓扑结构中的转录爆发的阻碍。在这里，使用随机模拟验证的分析计算的基础上van Kampen的扩展，我们重新审视的miRNA介导的非相干前馈环（IFFL），一个小模块，是广泛存在于高等真核生物的基因调控网络的噪声缓冲能力，以占调节基因的转录活性的影响。我们表明，爆裂大大改变电路的能力，以控制静态蛋白质噪声。通过与其他调控结构的比较，我们发现，直接转录调控显着优于IFFL在广泛的动力学参数。这表明，在脉动输入下，在表征调节元件的性能方面，静态降噪可能不如噪声和信息处理的动态方面重要。
2016-04-11 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph q-bio.MN
Two distinct logical types of network control in gene expression profiles
在细菌等单细胞生物中，在一种环境中有益的相同获得性突变在另一种环境中可能是限制性的。然而，不断发展的大肠杆菌种群在适应方面表现出显着的灵活性。维持遗传灵活性的机制仍不清楚。在大肠在大肠杆菌中，基因表达的转录调控既涉及以高亲和力结合特定DNA位点的专用调节因子，也涉及全局调节因子-细菌类色体的丰富DNA结构蛋白结合多个低亲和力位点，从而调节DNA的超螺旋密度。第一种形式的转录调控主要是成对的和特定的，代表数字控制，而第二种形式是（在强度和分布）连续的，代表模拟控制。在这里，我们看看来自显着的基因表达变化的两种形式的控制下的有效网络的属性，并发现在一种类型的控制（例如，由突变引起的全局DNA结构因子）的限制，另一种类型可以补偿受损的调节。全球监管机构的突变显着增强数字控制;在全球DNA架构蛋白质的存在下，监管主要是模拟类型，耦合空间相邻的基因组位点;我们的数据表明，两种逻辑上不同类型的控制相互平衡。通过揭示两种不同的逻辑类型的控制，我们的方法提供了基本的见解转录调控的组织原则和缓冲遗传灵活性的机制。我们预计，区分逻辑控制类型的一般概念将适用于许多复杂的生物网络。
2007-09-20 q-bio.GN q-bio.MN
Nonequilibrium model of short-range repression in gene transcription regulation
转录因子是通过激活或抑制基因转录来调节基因活性的蛋白质。一类特殊的转录抑制因子通过短程机制起作用，使局部DNA区域无法被激活因子结合，从而对靶基因提供间接抑制作用。这种机制通常是假设阻遏物与DNA在热力学平衡下相互作用，忽略了基因调控区的某些构型。我们详细说明了一个更一般的非平衡模型的短程镇压使用的图形形式主义的基因状态之间的转换，我们应用分析计算比较它与平衡模型的镇压强度和表达噪音。与平衡方法相反，新模型使我们能够将两种基本的短程抑制机制分开。第一种机制与介导染色质凝聚的因子的募集有关，第二种机制涉及介导染色质松散的因子的阻断。非平衡模型显示出更好的性能上先前发表的基因表达数据获得的转录因子控制果蝇的发展，而且它预测，第一个阻遏机制是最有利的在这个系统中。所提出的方法可以扩展到更大的基因网络，并可用于推断特定的模式和参数的转录调控的基因表达数据。
2022-04-11 q-bio.GN q-bio.MN
Deciphering transcriptional dynamics in vivo by counting nascent RNA molecules
基因的转录是大多数基因表达调控形式的焦点。尽管仔细的生物化学实验已经揭示了许多不同启动子在体外转录起始的分子机制，但对细胞中这一过程的动力学仍然知之甚少。一种方法是测量来自遗传上相同的群体中的单细胞的转录输出（荧光标记的信使RNA或蛋白质），然后可以将其与来自包含不同转录起始分子机制的模型的预测进行比较。然而，这种方法存在的问题是，转录下游的过程可能影响测量的输出，因此掩盖了转录输出的细胞间变异性上的随机转录起始的特征。在这里，我们从理论上表明，测量新生RNA数量的细胞间变异性提供了一个更直接的测试转录起始的机制。我们推导出新生RNA分子分布的前两个时刻的精确表达，并将我们的理论应用于组成型表达的酵母基因集合的已发表数据。我们发现，所测量的新生RNA分布是不一致的转录起始过程中通过一个限速步骤，这已被普遍推断从测量细胞质信使RNA。相反，我们提出了一个两步启动机制，这是与现有数据一致。酵母启动子的这些发现突出了我们的理论在体内从计算单细胞中新生RNA分子的实验中破译转录动力学的实用性。
2014-01-08 q-bio.MN
Model of Transcriptional Activation by MarA in Escherichia coli
我们已经开发了一个数学模型的转录激活的MarA在大肠杆菌中，并使用该模型来分析测量的marRAB，sodA，micF启动子在mar-rob-细胞中的MarA依赖的活性。该模型合理化一个意想不到的穷人之间的相关性中点的体内启动子活性曲线和体外平衡常数MarA结合启动子序列。使用该模型分析启动子活性数据，得到关于激活机制的以下预测：（1）marRAB、sodA和micF启动子的MarA激活涉及RNA聚合酶结合后转换动力学的净加速，直至并包括启动子逃逸和信息延伸;（2）RNA聚合酶在没有MarA的情况下几乎以单位占有率与这些启动子结合，使得聚合酶的募集在这些启动子的激活中是不重要的因素;和（3）micF启动子的激活可能涉及聚合酶的排斥和聚合酶活性动力学的大幅加速，而不是募集。这些预测与已发表的聚合酶和大肠杆菌之间相互作用的染色质免疫沉淀试验一致。coli染色体。转录激活中缺乏募集代表了教科书中对细菌0 -70启动子激活的描述的例外。然而，使用加速聚合酶动力学而不是募集可能赋予E.大肠杆菌中通过减少基因调控的潜伏期。
2009-02-05 q-bio.MN
Systems Biophysics of Gene Expression
基因表达是任何生命形式的核心过程。它涉及多个时间和功能尺度，从特定的蛋白质-DNA相互作用延伸到响应细胞内和细胞外变化的多个基因的协调调节。这种规模的多样性对传统方法提出了根本性的挑战，即使是最简单的基因表达系统也无法完全理解。计算系统生物物理学的最新进展为可靠地将生物物理过程的分子细节整合到系统行为中提供了有希望的途径。在这里，我们回顾了基因调控作为一个系统的生物物理过程，从特定的蛋白质-DNA相互作用的组合组装的核蛋白复合物的描述的最新进展。现在有基本的机制理解的启动子控制的多个，本地和远端，DNA结合位点的转录因子可以主动控制转录噪音，细胞间的变异性，和其他性质的基因调控，包括精确性和灵活性的转录反应。
2013-07-03 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Accurate prediction of gene expression by integration of DNA sequence statistics with detailed modeling of transcription regulation
基因调控涉及从特异性蛋白质-DNA相互作用到核蛋白复合物的组合装配的事件的层次结构。DNA序列对这些过程的影响通常是基于其与单结构域结合自由能的定量联系或基于结合不同DNA基序以在基因组尺度上预测基因表达趋势的经验规则来研究的。然而，在数量上连接这两个极端的中间点方法在很大程度上仍未得到探索。在这里，我们提供了一个综合的方法来准确预测基因表达的统计序列信息结合详细的生物物理模型的转录调控多域结合多个DNA位点。对于典型的乳糖操纵子的调节，这种方法预测在0.3倍的准确度内转录活性超过10，000倍的范围从DNA序列统计不同的细胞内条件。
2010-12-16 cond-mat.stat-mech cs.CE physics.bio-ph
Extending the dynamic range of transcription factor action by translational regulation
基因表达调控的关键步骤是转录因子（TF）蛋白与DNA调控位点的结合。但是转录因子在纳摩尔浓度下起作用，由于这些分子随机到达它们的结合位点而产生的噪音会严重限制调节的精确性。最近关于通过调控网络优化信息流的工作表明，浓度动态范围的低端根本无法接近，被这种噪音的影响所淹没。受同源结构域蛋白质（如果蝇胚胎中的母体形态原Bicoid）行为的启发，我们提出了一个方案，其中转录因子也充当间接翻译调节因子，与其他转录因子的mRNA结合。直觉上，每个mRNA分子作为TF浓度的独立传感器，并且对这些多个传感器进行平均可以降低噪声。我们通过这个新的方案分析信息流，并确定条件下，它优于直接转录调控。我们的研究结果表明，同源结构域蛋白质的双重作用不仅仅是一个历史的偶然事件，而是解决了基因表达调控中的一个关键物理问题。
2015-07-09 q-bio.MN
Genome-wide discovery of modulators of transcriptional interactions in human B lymphocytes
细胞中的转录相互作用受到多种机制的调节，这些机制阻止它们表现为转录因子与其靶标之间的纯成对相互作用。其中包括通过磷酸化和乙酰化激活转录因子，与一种或多种辅因子形成活性复合物，以及mRNA/蛋白质降解和稳定化过程。本文提出了第一步系统的，全基因组的计算推理的基因，在转录后水平上调节特定的转录因子的相互作用。该方法使用基于转录因子与其每个候选靶之间的互信息变化的统计学检验，条件是第三基因的表达。该方法首先在合成网络模型上进行了验证，然后在哺乳动物细胞系统中进行了测试。通过分析254个正常和肿瘤相关的人B淋巴细胞的微阵列表达谱，我们研究了MYC原癌基因的转录后调节因子，MYC原癌基因是参与肿瘤发生的重要转录因子。我们的方法发现了一组100个假定的调节基因，负责调节MYC及其靶点之间的205个调节关系。该组是显着丰富的分子与其作为细胞相互作用的调节剂的活动一致的功能，概括了既定的MYC调控途径，并提供了一个显着的库的MYC功能的新的监管机构。该方法具有广泛的适用性，并可用于发现任何其他转录因子的调节剂，只要有足够的表达谱数据。
2006-03-02 q-bio.GN q-bio.MN q-bio.QM
Gene clusters reflecting macrodomain structure respond to nucleoid perturbations
聚焦于DNA桥接类核蛋白Fis和H-NS，并整合几个独立的实验和生物信息学数据来源，我们研究染色体空间组织和全球转录调控之间的联系。通过一种新的多尺度空间聚集分析，我们发现存在的连续簇的核苷酸扰动敏感基因沿基因组，其表达的拓扑DNA状态和核苷酸成形蛋白质占用的组合的影响。这些簇与基因组的宏域结构相关性很好。其中最重要的对称地躺在边缘的ter宏域，并涉及所有的鞭毛和趋化性机械，除了生物膜形成的关键调节剂，这表明由类核蛋白的染色体的物理状态的调节中起着重要的作用，在协调转录反应，导致之间的切换能动性和生物膜的生活方式。
2010-11-04 q-bio.GN q-bio.MN q-bio.QM
Unsupervised learning of transcriptional regulatory networks via latent tree graphical models
Microsoft Research（微软研究院）；Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；University of California Irvine（加州大学尔湾分校）；University of Wisconsin-Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）；Morgridge Institute for Research（莫格里奇研究所）
基因表达是转录活性和细胞状态的易于观察的定量，其使得能够恢复调节子与其靶基因之间的关系。从基因表达数据重建转录调控网络是一个备受关注的问题，但以往的工作往往作出简化（但不切实际）的假设，即调控活性由mRNA水平表示。我们使用潜在树图形模型来分析基因表达，而不依赖于转录因子表达作为调节活性的代理。潜在树模型是一种马尔可夫随机场，包括观察到的基因变量和潜在（隐藏）变量，它们在马尔可夫树上分解。通过有效的无监督学习方法，我们确定哪些基因组由隐藏的调节因子共同调节，以及这些调节因子的活性水平。后处理将这些发现的潜在变量中的许多注释为特定的转录因子或转录因子组。其他潜变量不一定代表物理调节因子，而是揭示了基因表达中的隐藏结构，例如共享的生物学功能。我们将潜在树图形模型应用于酵母应激反应数据集。除了新的预测，如条件特异性结合的转录因子Msn 4，我们的模型恢复了许多已知的方面的酵母调控网络。这些包括共调节基因组、条件特异性调节因子活性和转录因子之间的组合调节。潜在树图形模型是用于分析基因表达数据的通用方法，其不需要关于存在哪些可能的调控因子、调控因子活性或转录因子物理结合的先验知识。
2016-09-20 cs.LG q-bio.MN
Reconciling Kinetic and Equilibrium Models of Bacterial Transcription
转录的研究仍然是现代生物学的核心之一，其影响范围从发育到代谢，从进化到疾病。使用包括荧光和测序读数在内的许多不同技术进行精确测量，提高了定量理解转录调控的标准。特别是，我们对最简单的遗传回路的理解在实验和理论上都得到了充分的完善，因此有可能仔细区分这种调节系统如何工作的不同概念图片。这种调控基序最初由Jacob和Monod在20世纪60年代提出，由结合到启动子位点并抑制转录的单个转录阻遏物组成。在本文中，我们展示了如何七个不同的模型，这个所谓的简单的抑制基序，平衡和动力学的思想的基础上，可以用来推导预测水平的基因表达和阐明往往令人惊讶的过去的成功的平衡模型。这些不同的模型，然后调用面对各种不同的数据的均值，方差和完整的基因表达分布，说明在何种程度上，这些模型可以和不能区分，并建议一个两个国家的模型与突发大小的分布作为最有力的七个简单的抑制基序。
2020-06-14 q-bio.MN q-bio.SC
The role of master regulators in gene regulatory networks
基因调控网络对内在和外在的扰动呈现出多种多样的动力学响应。可以说，这种协调反应中最重要的一种是扩增级联反应，其中几个关键反应转录因子（称为主调节因子，MR）的激活导致大量的转录激活事件。这是因为主调节因子是控制其他转录因子分子表达的转录因子等。MR占据与转录动力学和基因调控网络控制相关的中心位置，并且经常参与诱导非平凡动力学的复杂反馈和前馈回路。最近的研究指出，肌细胞增强因子2C（MEF2C，也称为MADS盒转录增强因子2，多肽C）是参与原发性乳腺癌发病机制的主要调节因子之一。在这项工作中，我们进行了综合基因组分析的转录调控活性的MEF2C及其靶基因，以评估在何种程度上是这些分子诱导集体反应，导致基因表达失调和致癌。我们还分析了一些诱导的动态反应，特别是与转录爆发和非线性级联相关的反应，以评估它们在恶性表型和癌症中可能产生的影响。
2015-10-17 nlin.AO q-bio.MN
Spatial clustering and common regulatory elements correlate with coordinated gene expression
许多细胞对周围信号的反应需要多个基因的时间协同转录调控。在原核细胞中，具有一个转录因子调控多个靶基因的单输入模块基序可以产生协调的基因表达。在真核细胞中，基因的转录活性不仅受到转录因子的影响，而且还受到基因的表观遗传修饰和三维染色体结构的影响。为了研究局部基因环境和转录因子调控如何偶联，我们对TGF- \b{eta}处理的MCF 10 A细胞的时程RNA-seq数据和相关的表观基因组和Hi-C数据进行了组合分析。使用动态调控事件挖掘器（DREM），我们根据基因表达谱和相关的转录因子对差异表达的基因进行聚类。每类基因具有相似的时间基因表达模式，并共享共同的转录因子。接下来，我们定义了一组线性和径向分布函数，如统计物理学中所使用的，以测量一类基因在基因组序列中的空间和线性分布。值得注意的是，尽管有时沿着基因组序列被数千万个碱基（Mb）分开，但同一类别内的基因显示出比属于不同类别的基因显著更高的空间接近的倾向，尽管有时沿着基因组序列被数十Mb分开。对小鼠神经系统发育过程的分析得出了类似的结论。未来的研究将能够测试染色体的这种空间组织是否有助于协调的基因表达。
2019-01-18 q-bio.GN q-bio.MN q-bio.SC
Functionality Encoded In Topology? Discovering Macroscopic Regulatory Modules from Large-Scale Protein-DNA Interaction Networks
从大规模和高通量序列和实验数据中发现细胞系统功能蓝图的承诺是基于这样一种信念，即在其他生物学问题（例如DNA测序）中证明成功的相同自上而下的研究方法在推断更复杂的细胞内过程时也同样有效。本文的结果解决了这个基本问题的转录调控网络的特定背景下。尽管过去已经确定了简单的重复性调控基序，但由于连接结构的大小和复杂性，将这种网络细分为更大且可能相互连接的调控模块仍在研究中。具体而言，目前还不清楚是否可以通过单独分析整个网络拓扑结构的连接结构来识别功能良好的转录子网络。在本文中，我们表明，转录调控网络可以系统地划分成社区的成员是一贯的功能相关。我们将划分方法应用于酿酒酵母的转录调控网络;所得到的基因和转录调节子的群落可以与不同的功能单元相关联，例如氨基酸代谢、细胞周期调节、蛋白质生物合成和定位、DNA复制和维持、脂质代谢、应激反应等。此外，对群体间连接模式的观察为阐明所发现的调节模块之间的相互依赖性提供了有价值的工具。
2005-03-01 cond-mat.dis-nn q-bio.MN
The effects of transcription factor competition on gene regulation
转录因子（TF）分子通过易化扩散（DNA周围的3D扩散和1D随机游走的组合）易位。尽管在过去的40年里，这一机制受到了关注，但只有少数研究调查了细胞环境对易化扩散机制的影响，特别是与TF分子竞争DNA空间的“其他”DNA结合蛋白的影响。DNA上的分子拥挤可能会影响TF与其靶位点的结合率以及这些位点的稳态占有率，但当模型包括生物学相关参数（例如：TF丰度、TF对DNA的亲和力和TF对DNA的动力学）时，仍不清楚它如何影响全基因组范围内的搜索。我们进行了随机模拟的TF执行促进扩散机制，并考虑了各种丰度的同源和非同源TF。我们发现，对于在DNA上移动的障碍物和在DNA上固定的障碍物，在DNA上的生物相关拥挤水平的情况下，搜索时间的变化在统计上是不显著的。在DNA上滑动的非同源蛋白质的情况下，DNA上的分子拥挤总是导致统计学上显著较低的占用水平，这可能赋予全局控制基因活性水平的一般机制。当“其他”分子在DNA上固定不动时，我们发现了一种完全不同的行为，即：靶位点的占有率总是随着DNA上更高的分子拥挤而增加。最后，我们表明，拥挤的DNA可能会增加转录噪音，通过增加可变性的目标位点的占用时间。
2013-08-06 q-bio.MN q-bio.SC
Temporal precision of molecular events with regulation and feedback
细胞的迁移、分裂和分化等行为依赖于精确的时间，然而控制这些行为的分子事件是高度随机的。我们调查的调控策略，减少分子事件的时间噪声。自动调节反馈增加噪音。然而，我们发现，在第二个物种的监管存在下，自动调节反馈减少噪音。为了解释这一发现，我们开发了一种方法来计算最佳的调节功能，使定时噪声最小化。该方法揭示了反馈和调节的组合通过最大化在阈值被越过之前必须按顺序发生的分子事件的数量来最小化噪声。我们计算的最佳定时精度为所有的两个节点的网络与调节和反馈，推导出一个通用的下限的定时噪声，并讨论我们的结果的背景下，秀丽隐杆线虫的发展过程中的神经母细胞迁移。
2019-10-11 physics.bio-ph q-bio.MN
Optimal regulation of protein degradation to schedule cellular events with precision
在许多细胞环境中，一个重要的事件是调节蛋白质越过规定的阈值。由于基因表达的先天随机性，这些事件发生的时间是随机的。一个感兴趣的问题是了解如何调控基因表达以实现事件定时的精确性。为了解决这个问题，我们使用首次通过时间框架（一种分析随机过程首次跨越特定阈值的时间的数学工具）对事件时序进行建模。蛋白质的进化是通过一个简单的随机模型的基因表达。此外，我们认为蛋白质降解的反馈调节是一种可能的噪声控制机制，用于实现精度。精确的解析公式的首次通过时间的分布和时刻。使用这些表达式，我们调查的最佳反馈策略，使噪声（变异系数平方）在事件定时最小化周围一个给定的固定平均时间。我们的研究结果表明，当蛋白质降解率为零时，所有蛋白质水平的噪声最小。最后，这一发现的影响进行了讨论。
2015-10-02 q-bio.MN
Stochastic gene transcription with non-competitive transcription regulatory architecture
转录因子，如激活子和抑制子，可以以竞争或非竞争的方式与基因启动子相互作用。在本文中，我们构建了一个随机模型与非竞争性转录调控架构和发展的分析理论，重新建立实验结果与改进的数据拟合。理论中的解析表达式使我们能够研究系统的任何参数所对应的系统性质，从而使我们能够找出控制该体系结构的基因表达调节的因素。我们注意到，除了转录再启动和阻遏物之外，还有其他参数可以控制这个网络的噪声。我们还观察到，Fano因子（在mRNA水平上）从亚泊松区到超泊松区变化。除了上述属性，我们观察到一些异常的Fano因子（在mRNA水平上）和蛋白质的变化在较低的激活剂浓度的阻遏物分子的存在下的特征。这个模型是有用的，以了解架构的相互作用，可能会缓冲随机性固有的基因转录。
2022-05-26 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Hierarchy and Feedback in the Evolution of the E. coli Transcription Network
大肠杆菌转录网络具有本质上的前馈结构，然而，在自我调节水平上具有丰富的反馈。在这里，我们研究这些属性是如何在进化过程中出现的。基于蛋白质结构域结构的基因复制的作用的评估表明，（i）转录自动调节主要是通过复制产生的，而（ii）预期的反馈环源于其初始的交叉调节强烈选择反对。这需要转录因子DNA结合位点及其各自的DNA顺式调节区的不同协同进化。此外，我们发现网络倾向于通过扩展现有的分层计算层来增长，而不是通过增加新的层。我们还认为，由于突变/选择新的转录因子/DNA结合相互作用的调控链接的重新布线似乎没有显着影响网络的全球层次结构，水平转移的基因主要是在底部添加，作为新的目标节点。这些研究结果突出了重要的进化作用的复制和选择性删除之间的串扰autoregulators在大肠杆菌的分层转录网络的出现。
2007-01-24 q-bio.MN q-bio.QM
Systematic Target Function Annotation of Human Transcription Factors
Transcription factors (TFs), the key players in transcriptional regulation, have attracted great experimental attention, yet the functions of most human TFs remain poorly understood. Recent capabilities in genome-wide protein binding profiling have stimulated systematic studies of the hierarchical organization of human gene regulatory network and DNA-binding specificity of TFs, shedding light on combinatorial gene regulation . We show here that these data also enable a systematic annotation of the biological functions and functional diversity of TFs. We compiled a human gene regulatory network…
2016-02-21 q-bio.MN
Specificity-determining DNA triplet code for positioning of human pre-initiation complex
转录因子仅通过特异的共有结合位点结合DNA的观点最近受到质疑。在Pugh和Venters的一项开创性研究中，没有鉴定出用于定位人前起始复合物（PIC）的特异性共有基序。在这里，我们发现，非共识，统计，DNA三联体代码提供了定位的人类PIC的特异性。特别是，我们揭示了一个高度非随机的，重复的核苷酸三联体的统计模式，与全基因组范围内的结合偏好的PIC芯片外测测量。我们分析了转录起始位点（TSS）附近的三联体富集和耗尽，并确定了对PIC-DNA非共有结合具有最强影响的三联体。我们的研究结果构成了一个新的设计原则，在人类基因组中的蛋白质-DNA识别的概念验证，这可以导致更好地理解转录调控的机制。
2016-11-23 q-bio.BM q-bio.GN q-bio.MN
